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化工
题目

在等温间歇釜式反应器中,以硫酸为催化剂使过氧化氢异内苯分解成苯酚、丙酮,该反应为一级反应,反应速度常数k为(0.081)/(s),若每小时处理过氧化氢异丙苯3m^3,求转化率达到98.8%时所需反应釜的实际体积为多少?每批操作非生产时间为3544.8s,装料系数varphi为0.65(因为反应过程起泡沫)。

在等温间歇釜式反应器中,以硫酸为催化剂使过氧化氢异内苯分解成苯酚、丙酮,该反应为一级反应,反应速度常数$k$为$\frac{0.081}{s}$,若每小时处理过氧化氢异丙苯$3m^3$,求转化率达到98.8%时所需反应釜的实际体积为多少?每批操作非生产时间为3544.8s,装料系数$\varphi$为0.65(因为反应过程起泡沫)。

题目解答

答案

根据一级反应公式,$ k t = \ln \left( \frac{1}{1 - X} \right) = \ln(83.33) \approx 4.42 $,得 $ t = \frac{4.42}{0.081} \approx 54.57 \, s $。 每批总时间 $ T = 54.57 + 3544.8 = 3599.37 \, s \approx 1 \, h $。 每批处理体积 $ V_0 = 3 \, m^3 $,实际体积为: \[ V = \frac{V_0}{\varphi} = \frac{3}{0.65} \approx 4.615 \, m^3 \] 因此,反应釜的实际体积约为 $ 4.615 \, m^3 $。 答案:约 $ 4.615 \, m^3 $。

解析

本题主要考察一级反应动力学以及反应釜实际体积的计算。解题思路如下:

  1. 首先根据一级反应的动力学方程,结合已知的反应速度常数和转化率,计算出达到该转化率所需的反应时间。
  2. 然后将反应时间与每批操作的非生产时间相加,得到每批操作的总时间。
  3. 接着根据每小时处理的物料体积和每批操作总时间,确定每批处理的物料体积。
  4. 最后根据装料系数,计算出反应釜的实际体积。

具体计算过程

  1. 计算反应时间 $t$
    对于一级反应,其动力学方程为 $k t = \ln \left( \frac{1}{1 - X} \right)$,其中 $k$ 为反应速度常数,$t$ 为反应时间,$X$ 为转化率。
    已知 $k = \frac{0.081}{s}$,$X = 98.8\% = 0.988$,将其代入方程可得:
    $k t = \ln \left( \frac{1}{1 - 0.988} \right) = \ln(83.33) \approx 4.42$
    则反应时间 $t = \frac{4.42}{0.081} \approx 54.57 \, s$。
  2. 计算每批总时间 $T$
    每批操作非生产时间为 $3544.8s$,则每批总时间 $T = t + 3544.8 = 54.57 + 3544.8 = 3599.37 \, s \approx 1 \, h$。
  3. 确定每批处理体积 $V_0$
    已知每小时处理过氧化氢异丙苯 $3m^3$,由于每批总时间约为 $1h$,所以每批处理体积 $V_0 = 3 \, m^3$。
  4. 计算反应釜实际体积 $V$
    装料系数 $\varphi = 0.65$,根据公式 $V = \frac{V_0}{\varphi}$,可得:
    $V = \frac{3}{0.65} \approx 4.615 \, m^3$

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